Математика. Утрата определенности. - Морис Клайн

Диссертация Клюгеля привлекла внимание одного из крупнейших математиков XVIII в. — Иоганна Генриха Ламберта (1728-1777), и тот также принялся размышлять над проблемой параллельных. В своей книге «Теория параллельных прямых» (написанной в 1766 г. и опубликованной в 1786 г.) Ламберт, подобно Саккери, рассмотрел две альтернативные возможности. И он также обнаружил, что гипотеза, согласно которой через точку P вне прямой l (см. рис. 4.3) не проходит ни одна прямая, параллельная прямой l, приводит к противоречию. Но в отличие от Саккери Ламберт не считал, что альтернативная гипотеза (согласно которой через точку P проходят по крайней мере две прямые, параллельные прямой l) приводит к противоречию. Более того, Ламберт понял, что любой набор гипотез, который не приводит к противоречию, порождает некую геометрию. Такая геометрия логически непротиворечива, хотя и не имеет прямого отношения к реальным, физическим фигурам.{47} 

Работа Ламберта и некоторых других авторов, в частности учителя Гаусса, профессора Гёттингенского университета Абрахама Г. Кестнера (1719-1800), заслуживают особого упоминания. Эти ученые были убеждены, что пятый постулат Евклида невозможно доказать, исходя из девяти остальных его аксиом, т.е. утверждали, что аксиома о параллельных независима от остальных аксиом. Кроме того, Ламберт был убежден, что, приняв альтернативную аксиому, противоречащую аксиоме Евклида, можно построить логически непротиворечивую геометрию, хотя и не высказал каких-либо утверждений о применимости такой геометрии. Все трое — Клюгель, Ламберт и Кестнер — близко подошли к признанию возможности неевклидовой геометрии. 

Самым выдающимся математиком среди тех, кто работал над решением проблемы, возникшей в связи с аксиомой Евклида о параллельных, был Гаусс. Он прекрасно знал о безуспешных попытках доказать или опровергнуть аксиому о параллельных, ибо такого рода сведения не составляли секрета для гёттингенских математиков. Историю проблемы параллельных досконально знал учитель Гаусса Кестнер. Много лет спустя (1831) Гаусс сообщил своему другу Шумахеру, что еще в 1792 г. (когда Гауссу было всего лишь 15 лет) он понял возможность существования логически непротиворечивой геометрии, в которой постулат Евклида о параллельных не выполняется. Но вплоть до 1799 г. Гаусс не прекращал попыток вывести постулат Евклида о параллельных из других, более правдоподобных допущений и считал евклидову геометрию истинной геометрией физического пространства, хотя и сознавал возможность существования других логически непротиворечивых — неевклидовых — геометрий. Однако в письме Гаусса к другу и собрату по профессии Фаркашу Бойаи от 16 декабря 1799 г. мы читаем: 

Я лично далеко продвинулся в моих работах (хотя другие занятия, совершенно не связанные с этой темой, оставляют мне для этого мало времени). Однако дорога, которую я выбрал, ведет скорее не к желательной цели, а к тому, чтобы сделать сомнительной истинность геометрии. Правда, я достиг многого, что для большинства могло бы сойти за доказательство, но это не доказывает в моих глазах ровно ничего; например, если бы кто-либо мог доказать, что возможен такой прямоугольный треугольник, площадь которого больше любой заданной, то я был бы в состоянии строго доказать всю геометрию. 

Большинство сочтет это за аксиому, я же нет. Так, могло бы быть, что площадь всегда будет ниже некоторого данного предела, сколь бы удаленными друг от друга в пространстве ни были предположены три вершины треугольника.

([24], с. 101-102.) 

Примерно с 1813 г. Гаусс начал работать над своей неевклидовой геометрией, которую он называл сначала антиевклидовой, затем астральной (т.е. звездной — возможно, выполняющейся на далеких звездах; это название принадлежало Фердинанду Карлу Швейкарту (1780-1859), независимо от Гаусса пришедшему к тем же идеям) и, наконец, неевклидовой геометрией. Гаусс пришел к убеждению, что построенная им геометрия логически непротиворечива и применима к физическому миру. 

В письме от 8 ноября 1824 г. к своему другу Францу Адольфу Тауринусу (1794-1874) Гаусс сообщал: 

Допущение, что сумма углов треугольника меньше 180°, приводит к своеобразной, отличной от нашей [евклидовой] геометрии; эта геометрия совершенно последовательна; я развил ее для себя совершенно удовлетворительно… Предложения этой геометрии отчасти кажутся парадоксальными и непривычными человеку, даже несуразными; но при строгом и спокойном размышлении оказывается, что они не содержат ничего невозможного.

([24], с. 105.) 

В письме к математику и астроному Фридриху Вильгельму Бесселю, отправленному 27 января 1829 г., Гаусс еще раз высказал убеждение, что постулат о параллельных не может быть выведен из других аксиом Евклида. 

Мы не будем подробно рассматривать специфические особенности того варианта неевклидовой геометрии, который был создан Гауссом (см., например, [28], с. 193-294). Он не оставил полного дедуктивного изложения своей теории, а доказанные им теоремы во многом напоминали те, с которыми мы вскоре встретимся, когда перейдем к работам Лобачевского и Бойаи. В письме к Бесселю Гаусс признается, что вряд ли когда-нибудь опубликует свои открытия в этой области, опасаясь, как он выразился, вызвать крики беотийцев (беотийцы — древнегреческое племя, чья тупость вошла в поговорку). Не следует забывать, что в начале XIX в. лишь немногие математики постепенно подошли к заключительному этапу создания неевклидовой геометрии, а мыслящий мир в основном пребывал в уверенности, что евклидова геометрия — единственно возможная. То немногое, что нам известно о работах Гаусса по неевклидовой геометрии, собрано по крохам из его писем к друзьям, двух коротких заметок в Göttingische gelehrte Anzeigen за 1816 г. и 1822 г. и из нескольких записей, датированных 1831 г., найденных среди бумаг Гаусса после его смерти. 

Но более значительный вклад, чем Гаусс, в создание неевклидовой геометрии внесли два других математика: Н.И. Лобачевский и Я. Бойаи (Я. Больяй). В действительности их работы явились как бы эпилогом длительного развития новаторских идей, высказанных их предшественниками, однако, поскольку Лобачевский и Бойаи первыми опубликовали дедуктивные изложения новой системы, их принято считать создателями неевклидовой геометрии. Русский математик Николай Иванович Лобачевский (1792-1856) учился в Казанском университете, где впоследствии (1827-1846) он состоял профессором и ректором. Его взгляды на основании геометрии сложились к 1826 г., и он изложил их в цикле статей и двух книгах. Янош Бойаи (1802-1860), сын Фаркаша Бойаи, был офицером австро-венгерской армии. Свою работу (объемом в 26 страниц) по неевклидовой геометрии [29] под названием «Приложение, содержащее науку о пространстве, абсолютно истинную, не зависящую от истинности или ложности XI аксиомы Евклида, что a priori никогда решено быть не может, с прибавлением, к случаю ложности, геометрической квадратуры круга» Бойаи опубликовал в качестве приложения к первому тому латинского сочинения своего отца «Опыт введения учащегося юношества в начала чистой математики» (Tentamen juventutem studiosam in elementa Matheoseos). Хотя эта книга вышла в 1831-1832 гг.{48}, т.е. после первых публикаций Лобачевского, вышедших в свет в 1829-1830 гг., Я. Бойаи, по-видимому, разработал свои идеи о неевклидовой геометрии уже в 1825 г. и убедился, что новая геометрия непротиворечива. В письме к отцу от 23 ноября 1823 г. Янош сообщает: «Я совершил столь чудесные открытия, что не могу прийти в себя от восторга». 

Гаусс, Лобачевский и Бойаи поняли, что аксиома Евклида о параллельных не может быть доказана на основе девяти остальных аксиом и что для обоснования евклидовой геометрии необходимо принять какую-то дополнительную аксиому о параллельных. А поскольку дополнительная аксиома не зависит от остальных, то, во всяком случае, логически вполне допустимо принять противоположное ей утверждение — и далее выводить следствия из новой системы аксиом. 

С чисто математической точки зрения содержание работ Гаусса, Лобачевского и Бойаи очень просто. Мы ограничимся здесь рассмотрением варианта неевклидовой геометрии, предложенного Лобачевским, так как все трое сделали по существу одно и то же. Лобачевский смело отверг аксиому Евклида о параллельных и принял допущение, высказанное еще Саккери. Пусть задана прямая AB и точка P вне ее (рис. 4.4). Тогда все прямые, проходящие через точку P, распадаются по отношению к прямой AB на два класса: класс прямых, пересекающих AB, и класс прямых, которые AB не пересекают. К числу последних принадлежат две прямые p и q, разделяющие наши два класса прямых. Сказанному можно придать более точный смысл. Если P — точка, находящаяся от прямой AB на расстоянии а (а — длина перпендикуляра PD, опущенного из точки P на прямую AB), то существует острый угол α, такой, что все прямые, составляющие с перпендикуляром PD угол, меньший α, пересекаются с прямой AB, а все прямые, составляющие с PD угол, больший или равный α, не пересекаются с AB. Две прямые p и q, образующие с PD угол α, называются параллельными по Лобачевскому прямой AB, а угол α = (α(a)) называется углом параллельности (отвечающим отрезку PD = a). Прямые, проходящие через точку P (отличные от параллельных прямых p и q) и не пересекающиеся с прямой AB, называются расходящимися с AB прямыми (или сверхпараллельными ей; в евклидовой геометрии они были бы параллельны прямой AB). Если понимать параллелизм по Евклиду, т.е. называть параллельными любые две прямые, которые лежат в одной плоскости и не пересекаются между собой, то в геометрии Лобачевского через точку P проходит бесконечно много прямых, параллельных AB.